Confermato nello spazio il dilemma storico del dualismo del fotone


Onda o particella? Recentemente, è stata confermata la doppia natura della luce tramite un esperimento condotto tra la Terra e lo spazio. Il risultato, pubblicato sulla rivista Science Advances, si deve alla collaborazione fra Agenzia Spaziale Italiana (Asi) e Universita’ di Padova. Non è un risultato teorico ma, come afferma il presidente dell’Asi Roberto Battiston, è “un importante risultato per la ricerca italiana che ci aiuta ad entrare nei misteri dell’infinitamente piccolo e a conoscere meglio il comportamento della luce”.

La doppia natura ondulatoria e corpuscolare della luce è uno dei pilastri della fisica. Nel 1801, con il suo esperimento della doppia fenditura (nella foto), lo scienziato britannico Thomas Young dimostrò che, se fatto incidere su una lastra opaca su cui sono presenti due sottili fenditure parallele, un fascio di luce produce su uno schermo posto oltre la lastra una figura di interferenza: è un segno inequivocabile che la luce ha una natura ondulatoria.

foto volpi 1
Interferometro usato nell’esperimento

Ciò contrastava con l’idea propugnata da Isaac Newton che la luce fosse invece un insieme di corpuscoli. Nei primi decenni del Novecento, però, tornò in auge l’idea della natura corpuscolare della luce, grazie alla teoria dell’effetto fotoelettrico elaborata da Albert Einstein nel 1905. Quest’ultimo scrisse nel 1924:

“Ci sono ora due teorie della luce, entrambe indispensabili e… senza nessuna connessione logica”

Einstein, infatti, non si capacitava dell’esistenza delle due teorie visto che le due immagini mentali (onda – corpuscolo) sono contrapposte:

– un corpuscolo è un ente di dimensioni microscopiche che ha una precisa collocazione nello spazio e nel tempo, nel senso che è teoricamente possibile misurarne posizione e velocità con tutta l’accuratezza che si desidera;

– un’onda è una perturbazione che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all’altro.

Una versione moderna dell’esperimento della doppia fenditura fu realizzato con sorgenti di luce molto deboli e usando per lo schermo materiali molto più sensibili di quelli disponibili nell’Ottocento. Quest’apparato dimostrò che, aumentando gradualmente da zero l’intensità della luce, sullo schermo si formano piccoli puntini che gradualmente si organizzano spazialmente in una figura di interferenza come quella vista da Young. È la dimostrazione che la luce ha anche una natura corpuscolare, spiegata nell’ambito della meccanica quantistica. Il “corpuscolo” in questione è il fotone, cioè un quanto di luce: un pacchetto discreto di energia associato all’onda elettromagnetica.

Secondo una visione classica, detta anche obiettiva, che era anche la visione di Albert Einstein, l’onda si comporta come onda e la particella come particella, ma il fotone non può avere le due nature contemporaneamente” ha spiegato Paolo Villoresi, dell’Università di Padova. “Invece l’interpretazione quantistica dice che per una particella elementare come il fotone, il risultato che ottengo è determinato dal tipo di apparato di misura che viene predisposto, anche all’ultimo momento mediante una “scelta ritardata” (la configurazione finale dell’interferometro viene decisa solo quando il fotone è già entrato all’interno dello strumento). Pertanto il fotone si comporta sia come particella che come onda”.

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Satelliti in orbita che riflettono i fotoni

Il fenomeno della scelta ritardata è ben visibile nell’esperimento effettuato dall’Asi ed è stato utilizzato proprio verificare i principi di base della meccanica quantistica, cioè la natura duale onda-particella del fotone. L’apparato è una versione modificata dell’interferometro con un impulso di luce che parte dal telescopio di Matera riflesso da un satellite in orbita a una quota di 3500 chilometri, che impone una modulazione alla fase della funzione d’onda e che sempre dal satellite viene diretto indietro verso il punto di partenza. Il tutto è fatto in modo che la scelta del tipo di rivelazione venga fatta quando il fotone è nella fase terminale della traiettoria, cioè dal satellite verso il telescopio (nell’immagine), determinando così la veridicità della teoria della duplice natura della luce.

Camilla Volpi

 

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